ATLAS Eksperiment søger efter sjældne Higgs boson henfalder til en foton og en Z boson

Higgs -bosonen blev opdaget af ATLAS og CMS Collaborations ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) i 2012 gennem dets forfald til par af fotoner, W bosoner og Z bosoner. Siden da, fysikere ved disse eksperimenter har opnået stor indsigt i egenskaberne ved Higgs -bosonet gennem studiet af dets forskellige produktions- og forfaldsprocesser. Forfald til par tau leptoner og bundkvarker blev etableret, som var koblingen til topkvarker. Imidlertid, spørgsmålet er stadig, om Higgs-bosonen også kan interagere med endnu ukendte partikler eller kræfter.

Otte år efter dens opdagelse, ATLAS har observeret næsten 90% af alle Higgs-boson-forfald forudsagt af standardmodellen. Et sjældent forfald af Higgs -bosonen, der endnu ikke er set, er det til en Z -boson og en foton (Zγ). Dette henfald er af særlig interesse for fysikere, da det foregår gennem processer, der involverer tunge "virtuelle" (muligvis nye) partikler, som kunne ændre dens sats.

ATLAS-samarbejdet har frigivet et nyt resultat, der søger efter Higgs-boson-henfaldet til Zγ. Dette resultat bruger det fulde LHC Run-2 datasæt, analyserer næsten fire gange så mange Higgs-boson-hændelser som det tidligere ATLAS-resultat.

Ifølge standardmodellen, 0,15% af Higgs bosoner henfalder til Zγ-en hastighed, der kan sammenlignes med Higgs-boson henfald til to fotoner, en af ​​opdagelseskanalerne. Imidlertid, i modsætning til fotoner, Z bosoner forfalder næsten øjeblikkeligt og kan ikke observeres direkte. I stedet, Z bosonerne rekonstrueres gennem deres henfald til elektron- eller muonpar. Da mindre end 7% af Z bosoner forfalder på denne måde, kun et lille forventet signal på omkring 1 ud af 10, 000 Standard Model Higgs bosoner kan undersøges.

For at adskille Higgs-boson-begivenheder fra rigelige baggrundsprocesser, ATLAS fysikere udførte en tilpasning til fordelingen af ​​massen af ​​det rekonstruerede Z boson og foton. Denne pasform bestemmer samtidigt antallet af signal- og baggrundshændelser ved at udnytte signalets forskellige former (smal spids) og baggrundsprocesser (jævn fordeling).

For at øge søgningens følsomhed, fysikere adskilte de potentielle Higgs-boson-begivenheder i flere kategorier, hver med forskellige forventede signal-til-baggrund-forhold. En af disse kategorier, hvor Higgs -bosonen produceres sammen med to fremadstråler via interaktionen mellem to svage bosoner, brugte en multivariat diskriminant (eller "boostet beslutningstræ") til at skelne det fra de andre Higgs-boson-produktionsmåder. Andre kategorier var karakteriseret ved fotonens momentum eller Higgs-boson-kandidaten, eller om Z -bosonen forfaldt til elektron- eller muonpar.

Fysikere undersøgte alle disse kategorier samtidigt, studere fordelingen af ​​massen af ​​det rekonstruerede Z boson og foton i udvalgte begivenheder for at lede efter et overskud forårsaget af henfaldene af Higgs bosoner til Zγ. Figur 2 viser massefordelingen af ​​Z-boson-plus-foton kombineret over alle kategorier, med resultaterne af pasformen overlejret.

Et signal giver omkring det dobbelte af det, der forventes af standardmodellen, svarende til en signifikans på 2,2 standardafvigelser (5 nødvendige for at erklære en observation) blev fundet i dataene. Resultatet giver ATLAS -fysikere mulighed for at udelukke, på et 95% konfidensniveau, produktionshastigheder mere end 3,6 større end det, der forudsiges af standardmodellen. Flere data er nødvendige for at finpudse Higgs bosonforfaldet til Zγ.